Ist das nun dieselbe Schlaufe?

Präsentation zum Thema: "Ist das nun dieselbe Schlaufe?"—  Präsentation transkript:

1 Ist das nun dieselbe Schlaufe?
. Vielfältige Argumente und eigenes Erkunden von Klasse 8 bis zum 8. Semester Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 1

2 Beweisbedürfnis und Beweise erleben
Sie hörten: Ausführungen zu Argumentationen und Begründungen im jungen Schulalter. Sie hörten: Herausarbeitung von Kernideen im Analysis-unterricht, die nach gesicherter Fundierung rufen. Nun folgt: Typische Beweisanlässe im Unterricht zu Kurven, die die Entwicklung vielfältiger Beweisideen ermöglichen und damit in hohem Maße Freiheiten bieten und die Entwicklung mathematischen Handwerks fördern. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 2

3 Beweisbedürfnis und Beweise erleben
NUTZEN für: Klasse 8 bis 8. Semester ?! ?!?!?!?!? Wie man das verstehen soll, ergibt sich unterwegs Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 3

4 Kurven erkunden und verstehen
Mein Buch ist in Arbeit! Auf der Kurven-Website finden Sie diesen Vortrag und die interaktiven Dateien ab Winter 2016/17 Bis dahin und Bereich Kurven Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 4

5 Wie kann man hier Vermutungen beweisen?
Schlaufenvielfalt Strophoide = Schlaufe Seilkurve geometrische Definition Polargleichung Verstehen der polar-kartesische Koppelung Wann sind zwei Kurven gleich? Schlaufe 2 mit Polargleichung aus der Animation Unterschied verstandenen, nichts ist bewiesen Schlaufe 3 Logozyklika Schlaufe 4 Rasterschlaufe Schlaufe 6 Konchoide Schlaufe 5 Trisektrix Schlaufe 7 Cissoide Wie kann man hier Vermutungen beweisen? Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 5

6 Strophoide Original Definition
Grün: Beweglich, Q auf Weg Blau: geometrische Elemente Rot: Ergebnis Ortskurve geometrische Definition Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 6

7 Strophoide Polargleichung
Grün: Beweglich, Q=(u,v) auf Weg Blau: geometrische Elemente Rot: P=(x,y), Ergebnis Ortskurve Asymptote? Sichere Punkte? Polargleichung für den Weg Polargleichung Strophoide Da ist nichts weggelassen, die Beweise sind so kurz! Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 7

8 Strophoide kartesische Gleichung
Kreis um Q enthält P Strahlensatz , v eliminieren, fertig! Beweisen-Lernen braucht hilfreiche Strukturen Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 8

9 Strophoide Polar-kartesische Sicht
Ani.Grundlage Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 9

10 Schlaufe 2 Polar-kartesische Sicht
Ani.Grundlage Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 10

11 Schlaufe 1 Schlaufe 2 Verstanden, warum der Durchlauf verschieden ist!
Aber was heißt Gleichheit bei Kurven? Zwei Kurven sind von gleichen Typ, wenn sie als geometrische Punktmengen kongruent oder ähnlich (i.e.S) sind. Um dieses nachzuweisen, bringt man sie in gleiche Lage und Größe. Sei C1 die bekannte Kurve und C2 die „neue“ Kurve. Wir stellen uns vor, man habe die neue Kurve C2 mit einer geometrischen Konstruktion gefunden. Dazu folgen bald mehrere Beispiele! Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 11

12 Schlaufe Schlaufe 2 Weg 1 Eine Gleichung von C1 in der Geometrie von C2 eintragen. Wenn‘s nicht passt, ist entschieden: Die Kurven sind ungleich. Anderenfalls: Weg 2, 3, 4, 5 Weg 2 Geometrie von C1 in Geometrie von C2 finden, geometrisch beweisen: P aus C2 ist ein P von C1. Weg 3 Für C2 kartesische Gleichung aufstellen und nach algebraischer Umformung suchen, die die kartesische Gleichung von C1 ergibt. Weg 4 Wie Weg 3, aber für die Polargleichung. Vorsicht! Trigonometrische Funktion sind „vielgestaltig“. Weg 5 Spezifische Überlegungen mit der gegenseitigen Lage wichtiger Elemente wie sicheren Punkten, Asymptoten, wichtigen Winkeln u.s.w. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 12

13 Strophoide Schlaufe 3 Schlaufe 3 ist die Strophoide
Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 13

14 Strophoide Schlaufe 4 Raster- Konstruktion klausurfähig
Schlaufe 4 ist die Strophoide Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 14

15 Trisektrix Strophoide Schlaufe 5 Nach Weg 1 und Weg 5
Schlaufe 5 ist keine Strophoide Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 15

16 rrot=rblau-rgrün Strophoide Schlaufe 2 Cissoiden
und diese Polargleichung passt zu der verschobenen Strophoide Die Strophoide ist eine spezielle Cissoide. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 16

17 Allgemeine geometrische Konstruktion der Cissoide
Wanderkurve C1 für Q beliebig Zweite Kurve C2 Fahrstrahl schneidet C2 in E Vektor QE an O anhängen ergibt P Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 17

18 Strophoide verschieben

19 Polargleichung der Strophoide in verschobener Lage
Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 19

20 Schlaufenvielfalt gebändigt!
Unsere Grundlage war die gewöhnliche Strophoide = Schlaufe Seilkurve Die allgemeinen Cissoiden sind eine große Kurvenklasse. Die gewöhnliche Strophoide ist eine spezielle Cissoide. Erkenntnis zu Schlaufe 2 Das waren einfache alternative Konstruktionen Schlaufe 3 Logozyklika Schlaufe 4 Rasterschlaufe Schlaufe 5 Trisektrix , sie ist keine Strophoide Aber sie ist auch eine spezielle Cissoide Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 20

21 Kurvengleichung F(x,y)=0 und 3D
Der Graph der Produktkurve ist die Vereinigung der Punkte der Faktorkurven. Wenn hier keine 0 steht? Dann hilft die 3D-Dar-stellung beim Verstehen produkt-ohne3D Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 21

22 Kurvengleichung F(x,y)=0 und 3D
produkt3D Mit zwei Fenstern in GeoGebra! Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 22

23 3D-Darstellungen anderer Kurven
Konchoide Durch Schnitte in anderer Höhe bilden sich Kurvenfamilien. Doch manchmal kommt es anders als man denkt. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 23

24 Allgemeine bipolare Kurven
Visualisierung der Dreiecks- bedingung im zweiten Grafikfenster in GeoGebra. gekoppelte Darstellung bipolar-bereich-start-fkt Ein Punkt P habe die Abstände r und r‘ von zwei „Brennpunkten“ E und E‘ im Abstand 2e. Jede Gleichung von r und r‘ definiert eine bipolare Kurve als Menge aller Punkte, die sowohl die Gleichung erfüllen, als auch mit E und E‘ eine Dreieck bilden. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 24

25 Bipolare Sinus-Kurven
Durch die gekoppelte Darstellung kann man die Besonderheiten alle verstehen. bipolar-bereich-start-fkt Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 25

26 Kurven, alles ist mit allem verwoben
Wie führt man Kurven ein? Wo sind Freiheiten zum Erkunden? Was heißt „verstehen“ ? Wie ermöglicht man Eigentätigkeit? Welche Bezüge gibt es unter den Kurven? Welche Werk-zeuge sind hilfreich? Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 26

27 Meine Bücher Mein neues Buch „Kurven erkunden und verstehen“
2. Aufl. Herbst 2015 Dieses Buch war für „alle“, Vorlesung für alle unsere Erstis, 1500 Studierende aller Fächer. 600 farbige Bilder Zumeist mit GeoGebra Mein neues Buch „Kurven erkunden und verstehen“ soll die Lehrerausbildung in Mathematik bereichern. Es soll auch für Lehrer sein, die mehr „nahrhaftes Futter“ für ihre Schüler brauchen. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 27

28 Die Mathematiklehre leidet an akuter Magersucht.
Diagnose DENN Die Mathematiklehre leidet an akuter Magersucht. Die Mathematiklehre ist schon so schlapp und kraftlos geworden, dass sie die jungen Menschen nicht durch‘s Studium tragen kann. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 28

29 Haben wir Zeit, noch einmal in den Wundersack zu greifen?
Wege zur Heilung Verleugnen wir nicht die Kraft der Mathematik, die in der Verlässlichkeit bewiesener Aussagen liegt. Wie müssen eine vielfältige Mathematik ermöglichen, in der Lernende selbst etwas vermuten und behaupten und dann lernen, mathematisch zu argumentieren. Haben wir Zeit, noch einmal in den Wundersack zu greifen? Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 29

30 Weiteres allgemeine Definitionen Gelenke und Handlung
weitere Didaktik allgemeine Definitionen Gelenke und Handlung Rasterkonstruktionen 2D-Raum Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 30

31 Weitere Didaktik Reichhaltig in Hans Schupp, Heinz Dabrock
Höhere Kurven 1995, nur Bib. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 31

32 Starten mit Handeln www.mathematik-sehen-und-verstehen.de
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33 Geometrisch Erfassen und Realisieren
Konchoide des Nikomedes Lineale mit Faden: Parabel Hyperbel Bernoulli‘sche Lemniskate Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 33

34 Mathematisch vertiefen
Für die Jüngsten: Konchoide des Nikomedes Alle Erscheinungsformen finden. Überlegen und experimentieren, wovon die Form abhängt. Überlegen, ob der „Wanderweg von Q“ geschnitten werden kann. Ausprobieren und entscheiden, welche der folgenden Gleichungen stimmen kann: Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 34

35 Mit Pythagoras und Strahlensatz
Konchoide des Nikomedes Einhaltung von Bezeichnungsstandards X in grün in rot Kreise zum Übertragen von Abständen grau gestrichelt Gleichung 1: Weg von Q Gleichung 2: Ort 1 von P Gleichung 3: Ort 2 von P Also: Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 35

36 Allgemeine Definitionen
Referenz vor allem das Buch von E.H. Lockwood A Book of Curves 1961, nur in Bib. oder antiquarisch Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 36

37 Kurven aus geometrischen Konstruktionen
Konchoide des Nikomedes Strophoide Alles so speziell! Erkunden???? Cissoide Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 37

38 Allgemeine geometrische Konstruktion der Cissoide
Allg. Cissoide Konchoide Nikomedes Pascal Kardioide Strophoide Standardform Trisektrix v.Maclaurin Lemniskate Erfindungen Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 38

39 Allgemeine geometrische Konstruktion der Konchoide
Wanderkurve für Q beliebig Auf Fahrstrahl Leinenlänge k markieren Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 39

40 allgemeinere Konchoiden mit Parabel-Wanderwegen
freies Erkunden! parabel-konch.ggb Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 40

41 allgemeinere Konchoiden mit anderen Wanderwegen
Nicht bloß angucken, sondern nachdenken: Warum hat man alle Fälle betrachtet, wenn B von +2 nach links rückt und man sonst nur k variiert? den Pol an andere Stelle legen freies Erkunden! Konchoid_Kreis_pascal.ggb Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 41

42 Allgemeine geometrische Konstruktion der Strophoide
Wanderkurve für Q beliebig Kreis[Q,A] Auf Fahrstrahl P und P‘ Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 42

43 Allgemeine geometrische Konstruktion der Versiera
Wanderkurve C für Q beliebig Zweite Kurve C2 Fahrstrahl schneidet C2 in E P=(x(E),y(Q)) P hat also die Abszisse von E und die Ordinate von Q Diese Verallgemeinerung ist von mir, aber so ist es eben: Kurven locken Kreativität Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 43

44 Kurven aus geometrischen Konstruktionen Versiera der Maria Agnesi
1748 Tipp: solche „Rasterkonstruktionen“ sind klausurfähig. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 44

45 Ellipse aus der Scheitelkreise-Konstruktion
Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 45

46 Die allgemeine Versiera verknüpft Geometrie und Analysis
Vieles geht in GeoGebra-CAS, TI Nspire CAS o.Ä. Elimination geht (für jeden) mit Wolfram-Alpha Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 46

47 Versiera mit Ellipse und Hyperbel
versiera-elli-hyp.ggb Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 47

48 Versiera mit Ellipse und Hyperbel
versiera-elli-hyp.ggb Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 48

49 Allgemeine bipolare Kurven
Visualisierung der Dreiecks- bedingung im zweiten Grafikfenster in GeoGebra. gekoppelte Darstellung bipolar-bereich-start-fkt Ein Punkt P habe die Abstände r und r‘ von zwei „Brennpunkten“ E und E‘ im Abstand 2e. Jede Gleichung von r und r‘ definiert eine bipolare Kurve als Menge aller Punkte, die sowohl die Gleichung erfüllen, als auch mit E und E‘ eine Dreieck bilden. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 49

50 Gelenke www.mathematik-sehen-und-verstehen.de
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51 Starten mit Handeln www.mathematik-sehen-und-verstehen.de
Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 51

52 Raster-Konstruk- tionen
Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 52

53 Kurven aus geometrischen Konstruktionen Versiera der Maria Agnesi
1748 Tipp: solche „Rasterkonstruktionen“ sind klausurfähig. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 53

54 Raster- Konstruktionen
Kegel- schitte Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 54

55 3D-Raum www.mathematik-sehen-und-verstehen.de
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56 Kurven aus geometrischen Konstruktionen Versiera der Maria Agnesi
Auch das noch: Querschnitt zeigt den Goldenen Schnitt Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 56

57 Kurvengleichung F(x,y)=0 und 3D
Der Graph der Produktkurve ist die Vereinigung der Punkte der Faktorkurven. Wenn hier keine 0 steht? Dann hilft die 3D-Dar-stellung beim Verstehen produkt-ohne3D Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 57

58 Kurvengleichung F(x,y)=0 und 3D
produkt3D Mit zwei Fenstern in GeoGebra! Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 58

59 3D-Darstellungen anderer Kurven
Konchoide Durch Schnitte in anderer Höhe bilden sich Kurvenfamilien. Doch manchmal kommt es anders als man denkt. Prof. Dr. Dörte Haftendorn, Leuphana Universität Lüneburg, Folie 59

60 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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